[논문]폐열 회수 시스템용 공랭식 응축기의 압력 손실 저감 설계

배석정; 허형석; 박정상; 이홍열; 김찬중

doi:10.7467/ksae.2013.21.6.081

문제 정의

본 연구에서는 폐열 회수 시스템의 저온 루프 응축기의 방열 성능을 유지하면서 압력 손실을 저감시키는 설계 프로세스 모델을 구축하였다. LT 응축기의 압력 손실을 최소화할 수 있는 패스 수 및 각 패스의 튜브 수 배치와 유동 균일도를 유지할 수 있는 다류관 구조 설계 방안에 대해서 기술한다.
LT 응축기가 일반적인 에어컨 시스템 응축기와 구별되는 점은, 우선 기상 구간영역이 넓은 에어컨 응축기와 달리 대부분의 영역이 포화 상태라는 것이며, 많은 열량을 방출하기 위해서 대량의 작동유체가 통과함으로써 압력 손실 저감이 큰 도전이 된다는 점이다. 또한, 통상적으로 마지막 패스 직전에 리시버 드라이어를 장착하는데 반해, LT 응축기에는 리시버 드라이어가 없이 출구 이후에 리저버 탱크를 설치함으로써 프런트 엔드의 공기 유동 저항을 저감하고자 하였다.
랭킨 스팀 사이클 방식의 듀얼 루프 엔진 폐열 회수 시스템에서 전체 시스템의 방열을 담당하는 LT 응축기의 방열 성능을 유지하면서 압력 손실을 저감할 수 있는 설계 프로세스에 대한 연구를 수행하였다. 이를 통해 얻은 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 랭킨 스팀 사이클 방식의 엔진 폐열 회수 시스템을 가솔린 자동차에 적용하기 위해서 듀얼 루프 폐열 회수 시스템을 구성하였다. 엔진 배기로부터 폐열을 회수하는 HT(high temperature) 루프는 작동유체로 물을 사용하고, HT 루프의 방열 및 비교적 저온인 냉각수로부터 폐열을 회수하기 위한 LT(low temperature) 루프에서는 작동유체로 냉매를 사용한다.
본 연구에서는 응축기의 패스 수 및 각 패스에서의 튜브 수를 결정한 후에, 튜브별 유량 분배율을 입력하여 성능 예측을 수행할 수 있도록 하였다. 3차원 수치 해석을 통하여 계산한 값들을 Fig.
반면에, 자체 개발한 LT 응축기 전용 설계 프로그램의 성능 예측은 1차원적이지만, 과열, 포화, 과냉 상태의 상변화 과정을 모두 모사할 수 있으며, 설계 인자 변경에 따른 영향성을 신속하게 확인할 수있다는 것이 장점이다. 본 연구에서는 이 두가지 설계 기법을 조화하면서 최적화된 LT 응축기 설계를 수행하였다.
본 연구에서는 폐열 회수 시스템의 저온 루프 응축기의 방열 성능을 유지하면서 압력 손실을 저감시키는 설계 프로세스 모델을 구축하였다. LT 응축기의 압력 손실을 최소화할 수 있는 패스 수 및 각 패스의 튜브 수 배치와 유동 균일도를 유지할 수 있는 다류관 구조 설계 방안에 대해서 기술한다.

가설 설정

7) 실험적 연구에 있어서 시제품과 실험 조건은 제한적인 범위에서이 뤄졌다. 1D 코드는 외부공기의 속도 및 온도 분포까지 이용할 수 있도록 만들어 졌지만, 본 연구의 범위 안에서는 외부 공기측은 모두 균일한 것으로 가정하였다. 실험 오차는 아마도 여기서 기인된 것으로 판단된다.
6) 작동 유체의 압력 손실은 튜브 내부의 상변화에 영향을 미칠 수 있다. 더욱 정확한 계산을 위해서는 형상의 영향(3차원 코드)과 상변화의 영향(1차원 코드)를 상호 작용하도록 하는 2-way 방식의 해석 커플링이 요구된다.
튜브 패스 수는 2-Pass로 하고, 설계 조건에서 튜브 수 배열의 영향을 분석하였다. 각 튜브로 유입되는 유량은 각 패스별로 일정한 것으로 가정하고, 최적의 튜브 수 범위를 결정하기 위하여 1D 코드를 이용한 계산을 수행하였다. 시스템 설계점에서 R134a 냉매의 입구 상태인 건도 0.

제안 방법

LT 응축기의 성능 설계를 위해 Basic 언어를 사용한 방열 성능 해석 프로그램을 개발하였으며, Fig. 5에 나타낸 순서로 계산을 수행하도록 하였다.
LT 응축기의 형상 설계 변수 및 운전 조건을 입력하면 튜브 내부 작동유체를 추적하면서 외부 냉각 공기와의 열전달 과정, 상변화 과정을 모사하도록 하였다(Fig. 6). 계산 결과의 다양한 성능 데이터와 압력, 온도, 속도, 비체적, 건도 등의 물성 분포를 Fig.
새로운 설계 모델의 총 튜브 수는 53개이다. 기존 모델과 비교하여, 튜브 형상 및 총 튜브 수는 이전 모델과 변경되었으나, 본 연구는 튜브 수 분배 등의 영향에 집중하기로한다.
기존의 1차원 해석 프로그램에서는 튜브 내부의 모든 유동이 균일한 것으로 가정하였지만, 본 연구에서는 모든 마이크로 튜브 내부의 상변화 과정을 추적하면서 계산하도록 변경하였다. 계산 과정이 완료되면, LT 응축기의 성능계산 결과를 확인할 수 있다.
3)을 통해 구현하였다. 또한 헤더에 장착되는 입구 및 출구 파이프의 위치가 성능에 미치는 영향을 3차원 열유동 해석을 통해 계산하였다. 이렇게 각 튜브별 냉매 유량을 계산한 결과를 1차원 프로그램에 입력하여, 설계안에 대한 성능 비교를 수행하고 최종 설계안을 결정하는 것으로 LT 응축기의 설계 과정이 마무리된다.
상기 기술한 바와 같은 프로세스를 따라서 LT 응축기의 설계를 해석적으로수행하였다.
4 bar, 작동유체 입구 온도는 과열도 5°C로 주었다. 설계점의 외부 공기 온도는 5m/s이며, 작동유체 질량 유량은 156 g/s이지만, 외부 공기 풍량이 부족하거나 작동유체 유량이 부족한 경우를 감안하여 해석하였다.
실험은 설계점인 작동유체 입구 압력16.4 bar, 입구 superheat 5°C, 외부 공기 35°C, 공기 속도 1~5 m/s에서 sub-cool 5°C를 만족하는 작동유체 질량 유량을 찾는 방식으로 수행하였다.
앞서 튜브 수 및 파이프 위치에 대해서 고찰한 10가지 모델의 불균일 유동 분포를 고려한 열유동 해석을 1D 프로그램으로 수행하였다. 입구 조건은 설계점을 기준으로 하여 외부 공기 온도는 35°C, 작동 유체 입구 압력은 16.
LT 응축기 핀및 튜브의 형상설계 변수들을 고정하고 튜브 패스 수에 따른 성능은 1차원 해석 프로그램을 이용하여 비교하였다. 앞선 연구에서 4-Pass보다는 2-Pass 모델의 방열 성능이 크게 감소하지 않으면서도 압력 손실이 급감하는 결과를 얻을 수 있었으므로,⁷⁾ 본 연구에서는 2-Pass 모델에 대한 성능 비교를 수행하였다. 패스 수가 결정되면, 전체 튜브 수는 고정한 가운데, 각 패스에서의 튜브 수 분배를 결정해야 하는데, 이에 따른 성능 변화 역시 1차원 해석 프로그램을 이용하여 비교하도록 하였다.
⁷⁾ LT 응축기는 엔진 폐열 회수 시스템 전체의 방열에 사용되며, 기체 상태 또는 이에 가까운 포화 상태의 LT 작동유체를 과냉 상태로 충분히 응축시켜서 펌프 측으로 보내는 역할을 한다. 열교환량이 충분하지 않을 경우 출구 작동유체 상태가 과냉이 되지 않는 것을 방지하기 위한 리시버 드라이어를 본 연구의 응축기 모델에서는 배제하는 대신에 Fig. 1과 같이 응축기 출구에 Reservoir Tank를 사용하도록 했다.
외부 공기 온도 35°C, 풍속 5 m/s에서 출구 과냉도 5°C를 만족시키는 유량을 찾는 방법으로 성능 예측을 수행하였다.
응축기의 입구 및 출구 파이프가 작동유체 유량 분배에 미치는 영향을 상용 3차원 열유동 해석 프로그램을 살펴보았다. Fig.
패스 수가 결정되면, 전체 튜브 수는 고정한 가운데, 각 패스에서의 튜브 수 분배를 결정해야 하는데, 이에 따른 성능 변화 역시 1차원 해석 프로그램을 이용하여 비교하도록 하였다. 이러한 과정으로 LT 응축기의 외관 및 내부 형상설계가 완료되면 각 튜브로 유입되는 작동유체의 유량 분포를 계산해야 하는데, 이는 1차원 프로그램으로 구현하기 어려우므로, 응축기 헤더, 입구 및 출구 포트, 튜브 형상 등을 모델링하여 3차원 열유동 해석 프로그램(Fluent 6.3)을 통해 구현하였다. 또한 헤더에 장착되는 입구 및 출구 파이프의 위치가 성능에 미치는 영향을 3차원 열유동 해석을 통해 계산하였다.
튜브 패스 수는 2-Pass로 하고, 설계 조건에서 튜브 수 배열의 영향을 분석하였다. 각 튜브로 유입되는 유량은 각 패스별로 일정한 것으로 가정하고, 최적의 튜브 수 범위를 결정하기 위하여 1D 코드를 이용한 계산을 수행하였다.

대상 데이터

5) 위와 같은 과정을 거쳐서 본 연구에서 최적으로 선정되어 설계된 모델은 2-pass의 튜브 수가 33-20 (62%-38%)으로 분배되고 입구 파이프가 중앙에, 출구 파이프가 하단에 위치한 모델이다.
4 모델이 다소 유리하지만, 2번째 패스 균일도의 영향은 성능에 큰 영향을 주지 않는다. 또한, 응축기 출구에 리저버 탱크를 장착하여 작동유체 구동 펌프로 포화 증기가 유입되는 것을 방지하고 있지만, 가변적인 운전 중에서는 냉매가 출구에서 과냉도를 유지하지 못할 경우에 출구 파이프의 위치가 상단에 있으면 유동 저항이 일시적이나마 크게 나타날 수 있으므로, 이를 고려하여 출구가 하단에 위치한 #5.1 모델을 최종 모델로 선정하였다.
본 연구에서는 100°C 전후의 엔진 냉각수로부터 폐열 회수를 하기 위한 LT 루프의 증발 온도, 응축압력, 사이클 효율을 고려하여 R134a 냉매를 작동유체로 선정하였다.
새로운 설계 모델의 총 튜브 수는 53개이다. 기존 모델과 비교하여, 튜브 형상 및 총 튜브 수는 이전 모델과 변경되었으나, 본 연구는 튜브 수 분배 등의 영향에 집중하기로한다.
각 튜브로 유입되는 유량은 각 패스별로 일정한 것으로 가정하고, 최적의 튜브 수 범위를 결정하기 위하여 1D 코드를 이용한 계산을 수행하였다. 시스템 설계점에서 R134a 냉매의 입구 상태인 건도 0.942를 포함하고, 과열상태의 기체로 유입되는 경우도 고려하였다. 즉, 입구 조건은 16.
본 연구에서는 랭킨 스팀 사이클 방식의 엔진 폐열 회수 시스템을 가솔린 자동차에 적용하기 위해서 듀얼 루프 폐열 회수 시스템을 구성하였다. 엔진 배기로부터 폐열을 회수하는 HT(high temperature) 루프는 작동유체로 물을 사용하고, HT 루프의 방열 및 비교적 저온인 냉각수로부터 폐열을 회수하기 위한 LT(low temperature) 루프에서는 작동유체로 냉매를 사용한다. LT 응축기(LT condenser)는 내부에서 유동하는 냉매 평균 온도 및 방열량을 고려하여, 에어컨 응축기로 널리 이용되고 있는 공랭식 평행 다류관 열교환기 형태를 따랐다.
이러한 설계 과정을 거쳐서 최적의 성능을 나타낼 것으로 기대되는 모델로 튜브 수 33-20이며 입구 파이프를 중간에 둔 2가지 모델(#5.4, #5.1)을 선정하였다.
입구 파이프는 첫 번째 패스의 중간, 출구 파이프는 2번째 패스의 하단에 위치하는 응축기 모델을 대상으로 하였다. 2번째 패스 기준으로 7, 12, 17, 19, 20, 22, 27개의 7가지 경우(#1, #2, #3, #4, #5.

데이터처리

외관 형상이 동일하더라도 패스 수 및 튜브 수 배치에 따라 성능 차이가 현저하게 판이한 LT 응축기의 특성상, 작동유체 튜브의 배치가 주요 설계 인자 중 하나라 할 수 있다. LT 응축기 핀및 튜브의 형상설계 변수들을 고정하고 튜브 패스 수에 따른 성능은 1차원 해석 프로그램을 이용하여 비교하였다. 앞선 연구에서 4-Pass보다는 2-Pass 모델의 방열 성능이 크게 감소하지 않으면서도 압력 손실이 급감하는 결과를 얻을 수 있었으므로,⁷⁾ 본 연구에서는 2-Pass 모델에 대한 성능 비교를 수행하였다.
상기의 튜브 수 배열에 대한 고찰은 각 튜브로 분리되어 유입되는 작동유체의 유량이 일정한 것으로 가정한 것이므로 실제 현상과의 차이가 있다. 이러한 유동장의 불균일성을 고려하기 위해 상용 3차원 열유동 해석 프로그램을 이용하였다. 유동 균일도는 유체 유동 해석에 있어서 일정 단면을 통과하는 속도의 불균일성을 나타내는 척도이다.
앞선 연구에서 4-Pass보다는 2-Pass 모델의 방열 성능이 크게 감소하지 않으면서도 압력 손실이 급감하는 결과를 얻을 수 있었으므로,⁷⁾ 본 연구에서는 2-Pass 모델에 대한 성능 비교를 수행하였다. 패스 수가 결정되면, 전체 튜브 수는 고정한 가운데, 각 패스에서의 튜브 수 분배를 결정해야 하는데, 이에 따른 성능 변화 역시 1차원 해석 프로그램을 이용하여 비교하도록 하였다. 이러한 과정으로 LT 응축기의 외관 및 내부 형상설계가 완료되면 각 튜브로 유입되는 작동유체의 유량 분포를 계산해야 하는데, 이는 1차원 프로그램으로 구현하기 어려우므로, 응축기 헤더, 입구 및 출구 포트, 튜브 형상 등을 모델링하여 3차원 열유동 해석 프로그램(Fluent 6.

이론/모형

엔진 배기로부터 폐열을 회수하는 HT(high temperature) 루프는 작동유체로 물을 사용하고, HT 루프의 방열 및 비교적 저온인 냉각수로부터 폐열을 회수하기 위한 LT(low temperature) 루프에서는 작동유체로 냉매를 사용한다. LT 응축기(LT condenser)는 내부에서 유동하는 냉매 평균 온도 및 방열량을 고려하여, 에어컨 응축기로 널리 이용되고 있는 공랭식 평행 다류관 열교환기 형태를 따랐다.

성능/효과

1) LT 응축기의 1차원 설계 코드를 활용하여 공랭식 평행 다류관 형상의 LT 응축기의 압력 손실 저감 설계를 수행할 수 있었다.
2) 패스 수 및 튜브 수 배열은 LT 응축기의 튜브 형상 및 핀 형상이 동일한 상태에서도 압력 손실에 큰 영향을 준다.
3) 응축기 헤더에 장착되는 입구 및 출구 파이프의 위치는 작동유체의 유동 균일도에 큰 영향을 미치며, 결과적으로 방열 성능은 7%, 압력 손실에는 46% 이상의 성능차이를 나타나게 하였다.
7) L. Ye 등은 헤더 내부 배플에 분리구를 두어 2상 구간이 증가하도록 냉매 유량을 분배한 평행류 방식의 에어컨 응축기를 개발하였으며, 방열 성능에 초점을 두고 기존 대비 약 10% 향상한 결과를 제시하였다.⁸⁾
LT 루프는 HT 루프 및 엔진 냉각수로부터의 폐열을 회수하여 동력을 발생시키고, LT 응축기를 통하여 22 kW에 달하는 시스템 잔열을 방출시킨다.⁷⁾ LT 응축기는 엔진 폐열 회수 시스템 전체의 방열에 사용되며, 기체 상태 또는 이에 가까운 포화 상태의 LT 작동유체를 과냉 상태로 충분히 응축시켜서 펌프 측으로 보내는 역할을 한다. 열교환량이 충분하지 않을 경우 출구 작동유체 상태가 과냉이 되지 않는 것을 방지하기 위한 리시버 드라이어를 본 연구의 응축기 모델에서는 배제하는 대신에 Fig.
계산 과정이 완료되면, LT 응축기의 성능계산 결과를 확인할 수 있다. 또한, 튜브 내부의 작동유체 온도, 압력, 속도 분포 등을 2차원 등고선으로 살펴볼 수있는 대화창을 통해 패스 수 및 튜브 수 배치가 성능에 미치는 영향을 확인 할 수 있다. Fig.
19에 나타내었다. 모두 1% 이내의 범위에 있지만, 유동 분포를 고려한 해석 예측 값은 균일 유동으로 가정한 값보다 실험값에 근접하게 나타났다. 여기서 2개의 모델 사이의 방열량은 각각 22.
최적 설계 과정을 통해서 압력 손실은 튜브 단면적의 효과를 제외하고도 62% 이상을 저감한 것이다. 설계점에서 해석 결과의 오차는 1% 이내이지만, 전체 공기속도 영역에서는 평균적으로 10% 정도의 오차율을 보이며, 압력 손실은 평균적으로 11%의 오차율을 나타낸다.
9에는 튜브 수 배열에 따른 방열량을 2번째 패스의 튜브 수를 기준으로 입구 조건별로 비교하여 나타내었다. 조건별로 방열량이 높은 영역이 다소 다르지만, 전체적으로 2번째 패스의 튜브 수 12~22개가 방열량의 최적 범위임을 알 수있다.
최적 모델로 선정한 모델(#5.1)은 튜브 단면적을 증가시켜서 설계점에서 압력손실이 100 kPa 이하 수준으로 저감될 수 있었으며, 최적의 압력 손실 저감 설계를 통해서 방열 성능은 동일 수준으로 유지하면서 압력 손실을 86 kPa까지 낮출 수 있었다. 최적 설계 과정을 통해서 압력 손실은 튜브 단면적의 효과를 제외하고도 62% 이상을 저감한 것이다.

후속연구

4) 듀얼 루프 엔진 폐열 회수 시스템의 LT 응축기와 같은 조건에서는 냉매 유량이 상당히 크므로, 냉매 측 압력 손실을 대폭 감축할 수 있는 설계 방안이 필요하다. 튜브 수와 튜브 단면적은 클수록 압력 손실 저감에 유리하며, 이러한 형상이 확정된 상황에서는 우선적으로 패스 수를 최소화해야 하며, 설계 프로세스를 통해 각 패스에서의 튜브 수 분배, 입구 및 출구 파이프의 위치를 결정한다.
8) 본 연구의 설계 프로세스 자료를 활용하여 향후 엔진 폐열 회수 시스템의 주요 부품에 적용할 수 있으며, 자동차용 에어컨 시스템 및 엔진 냉각 시스템 주요 부품에도 적용 범위를 확대할 수 있을 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	엔진 폐열 회수 시스템 기술 연구 현황은?	그 중에서 랭킨 스팀 사이클 기술은 현재 가장 실용화 가능성이 높은 것으로 판단된다.1) BMW의 J. Ringler 등은 10년에 걸쳐서 ‘Turbo Steamer’라는 폐열 회수 시스템 기술을 개발해왔으며,2) 2012년에는 컴팩트하게 설계된 2세대 시스템을 선보이며 연비개선 목표 6% 이상을 제시하고 있다.3) Honda의 T. Endo 등은 랭킨 사이클 기술을 하이브리드 차량의 엑서지 극대화 관점에서 연구하였으며,4) AVL의 H. Teng 등은 작동유체 선정에 대한 상세한 고찰을 담아서 유기 랭킨 사이클 기술을 대형 트럭의 폐열 회수 시스템에 적용하는 기술을 연구하였다.5)
	엔진 폐열 회수 시스템 기술 중 가장 실용화 가능성이 높은 것은?	동력 에너지로 변환되지 못하고 외부로 방출되는 엔진의 폐에너지를 회수하는 엔진 폐열 회수 시스템 기술은 에너지 형태와 회수 방식에 따라 다양한 기술로 구분된다. 그 중에서 랭킨 스팀 사이클 기술은 현재 가장 실용화 가능성이 높은 것으로 판단된다.1) BMW의 J.
	LT 응축기의 기능은?	LT 루프는 HT 루프 및 엔진 냉각수로부터의 폐열을 회수하여 동력을 발생시키고, LT 응축기를 통하여 22 kW에 달하는 시스템 잔열을 방출시킨다.7) LT 응축기는 엔진 폐열 회수 시스템 전체의 방열에 사용되며, 기체 상태 또는 이에 가까운 포화 상태의 LT 작동유체를 과냉 상태로 충분히 응축시켜서 펌프 측으로 보내는 역할을 한다. 열교환량이 충분하지 않을 경우 출구 작동유체 상태가 과냉이 되지 않는 것을 방지하기 위한 리시버 드라이어를 본 연구의 응축기 모델에서는 배제하는 대신에 Fig.

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